Membrantechnologie
Filterung von Kunststoffpartikeln

10.07.2019 Im Ergebnis eines dänischen Forschungsprojekts auf der Kläranlage Bjergmarken haben sich Membranbioreaktoren im Einsatz gegen Mikroplastik bewährt.

Der Plastikmüll zerfällt in immer kleinere Stückchen und wird zu Mikrokunststoff.
© Foto: Plastic Change
Der Plastikmüll zerfällt in immer kleinere Stückchen und wird zu Mikrokunststoff.

Die Bilder von riesigen schwimmenden Inseln aus Plastikabfall bekamen zuletzt viel öffentliche Aufmerksamkeit. Eine ebenso ernsthafte Bedrohung für Umwelt und menschliche Gesundheit tritt in kleinerem Maßstab zutage: Mikroplastik. In einem dänischen Forschungsprojekt haben Membranbioreaktoren von Alfa Laval bewiesen, dass sie eine wirksame Technologie zur Entfernung dieser unsichtbaren Partikel aus Abwasser darstellen.

Auf der Kläranlage Bjergmarken fanden die Untersuchungen statt. © Foto: Fors A/S
Auf der Kläranlage Bjergmarken fanden die Untersuchungen statt.

Gefahr für die Weltmeere und die Lebewesen

Schätzungen zufolge schwimmen mehr als 5,25 Billionen Kunststoffteile in den Weltmeeren. Als Mikroplastik werden gemeinhin Kunststoffteilchen bezeichnet, die kleiner sind als 5 mm. Bis zu ihrem vollständigen Abbau in einigen hundert Jahren stellen die Partikel eine Gefahr für viele Organismen dar. Auch wenn die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit unbekannt sind, gibt es immer mehr Anhaltspunkte dafür, dass sie für Tiere gefährlich sind, insbesondere in den Meeren. „Bei Fischen und Muscheln blockieren oder reduzieren die Mikroplastikteilchen physisch die Funktion lebenswichtiger Organe“, sagt Claudia Sick, Meeresbiologin und Projektmanagerin bei der dänischen NGO Plastic Change. Die Mikrokunststoffe können außerdem selbst toxisch sein oder andere schädliche Chemikalien enthalten. Zugleich fungieren die Plastikteilchen als Träger für Mikroben oder Mikroschadstoffe, die sich an die Partikel anheften.

Plastik-Winzlinge sind kaum messbar

Mikroplastik ist sehr schwer zu finden und zu messen. Nur wenige Meeresschleppnetze haben versucht, Partikel unter 0,3 mm Durchmesser aufzunehmen, und zwischen diesem Durchmesser und 0,005 mm gibt es noch immer keine wissenschaftlich anerkannte Quantifizierungsmethode. Wenn man bis auf diese Größe filtert, haben herkömmliche Analysesysteme Schwierigkeiten festzustellen, ob es sich um Kunststoff oder andere Materialien handelt.

Mikrokunststoffe werden unterschieden in „Primärmaterialien“ – Mikroplastik, das zum Beispiel für Peeling in kosmetischen Pflegeprodukten oder beim Luftabstrahlen von Lack und Rost verwendetet wird – und „Sekundärmaterialien“. Letztere sind Fragmente, die durch die Zersetzung größerer Kunststoffteile entstehen, wie Fasern von Textilien, Autoreifen und Verpackungsmaterial. Doch es herrscht noch immer einige Unsicherheit darüber, woher das Mikroplastik kommt und wie es in die Meere gelangt. Der größte Teil der Verschmutzung erfolgt über Zufluss vom Land und Kunststoffpartikel sind auch in bereits geklärtem Wasser aus Kläranlagen enthalten.

Der kompakte Membranbioreaktor (MBR) erreichte im Rahmen des Forschungsprojekts „Plasticfree Roskilde Fjord“ eine 50-fache Konzentration gelöster Feststoffe im zurückgehaltenen Wasser. © Foto: Alfa Laval
Der kompakte Membranbioreaktor (MBR) erreichte im Rahmen des Forschungsprojekts „Plasticfree Roskilde Fjord“ eine 50-fache Konzentration gelöster Feststoffe im zurückgehaltenen Wasser.

Die Membranen sind das Schlüsselelement der MBR-Wasseraufbereitungs-Anlage. Sie werden von Alfa Laval selbst entwickelt und produziert. © Foto: Alfa Laval
Die Membranen sind das Schlüsselelement der MBR-Wasseraufbereitungs-Anlage. Sie werden von Alfa Laval selbst entwickelt und produziert.

Projekt „Plastic Free Roskilde Fjord”

Das dänische Forschungsprojekt „Plastic Free Roskilde Fjord” ist weltweit einzigartig. Mit einem ganzheitlichen und interdisziplinären Ansatz integriert das Projekt Experten von NGOs, Universitäten und Unternehmen sowie Bürger und Politiker. Zur Untersuchung und Bekämpfung der Kunststoffverschmutzung in der natürlichen Umgebung des Roskilde Fjords werden deren Ursprünge und Auswirkungen an der Küste, im Wasser, in Sedimenten und Organismen des Gewässers systematisch erfasst.

Ein wichtiger Aspekt des Projekts ist die Analyse des Mikroplastiks im Wasser der Kläranlage Bjergmarken vor und nach der Aufbereitung. Internationale Studien ergaben nämlich, dass die Partikel nur teilweise ausgefiltert werden. In welchem Maße dies geschah, war allerdings unklar. Daher wurde auch der Schlamm aus der dänischen Anlage untersucht, der zum überwiegenden Teil von der Landwirtschaft als Dünger genutzt wird. Von den Feldern gelangt das Mikroplastik wiederum in Seen, Flüsse und letztlich ins Meer.

Alfa Laval hat mit der NGO Plastic Change, der Universität Aarhus, der Universität Roskilde und dem Unternehmen EnviDan zusammengearbeitet, um die Mengen an Mikroplastik zu messen, die aus der Abwasserkläranlage in Bjergmarken in den Roskilde Fjord gelangen. Als Projektbeitrag leistet Alfa Laval Finanzierung, Installation und Betrieb der Pilotanlage eines Membranbioreaktors (MBR). Der MBR wurde entwickelt für die kommunale und industrielle Abwasserbehandlung und erreicht höchste Ablaufqualität. Seine Membranen in Form von Hohlraumplatten wurden extra entwickelt für die speziellen Anforderungen von Kläranlagen und der Reaktor kombiniert mehrere patentierte Alfa-Laval-Technologien.

Ultrafiltration erfolgt nahezu wartungsfrei

Die LowResist-Konstruktion ermöglicht einen äußerst niedrigen Transmembrandruck (TMP) von typischerweise 0,01 bis 0,04 bar während des Betriebs. Bei vielen Anwendungen genügt schon die Schwerkraft. Daher erfordern die MBR deutlich weniger Reinigungs- und Wartungsarbeiten als marktübliche Systeme. Die Verunreinigungen treten oberflächlich auf und die Poren bleiben verschont. Der Schlüssel dazu sind eine hoch-durchlässige Mikrofiltrations-Membran und eine MBR-Modulkonstruktion, die den Druck über alle Stadien der Permeation begrenzt. Durch die offenen Seiten der Membranen kann das Wasser ungehindert in die Permeationskammern fließen. So wird der Druck gleichmäßig über die Membran verteilt für mehr Leistung und weniger Reinigungsaufwand bei der Ultrafiltration.

Vor der Membranbioreaktor-Anlage v. l.: Nicolas Heinen (Technischer Direktor MBR bei Alfa Laval), Brian Olsen (Betriebsleiter Kläranlage Bjergmarken) und Jakob Strand (Universität Aarhus) © Foto: Plastic Change
Vor der Membranbioreaktor-Anlage v. l.: Nicolas Heinen (Technischer Direktor MBR bei Alfa Laval), Brian Olsen (Betriebsleiter Kläranlage Bjergmarken) und Jakob Strand (Universität Aarhus)

Reduzierter Energieverbrauch und wenig Platzbedarf

Das Alfa-Laval-System S Aerator minimiert den Luftverbrauch und vermeidet Arbeitsaufwand für die Beseitigung von Blockaden. Durch die einspurige Bauweise ist S Aerator selbstspülend und erfordert keine manuellen Eingriffe. Während des Betriebs kann die Luft zuverlässig an- und ausgeschaltet werden, sodass die Membran-Module wechselhaft belüftet werden. Diese alternierende Reinigung senkt den Energieverbrauch um bis zu 40 Prozent verglichen mit herkömmlichen Verfahren. Der Verschmutzungsgrad oder die Wirksamkeit der Membranfiltration bleiben davon unbeeinträchtigt.

Das QuickSwap-System erlaubt den einfachen Austausch der Membranen. Die Module lassen sich einzeln entfernen, was die erforderliche Hubhöhe minimiert. Die Alfa Laval Membran Module sind daher prädestiniert für die Innenraumaufstellung oder unterirdische Installationen. Weil sämtliche Membranen eines Moduls gebündelt montiert sind, kann jeweils ein kompletter Satz in einem Arbeitsgang ersetzt werden.

Der wichtigste Teil der MBR-Wasseraufbereitungs-Anlage sind die Membranen. Sie wurden von Alfa Laval selbst entwickelt und gefertigt aus chlorresistentem Polyvinylidenfluorid (PVDF). Für Bakterien, Mikroplastik und viele weitere Schadstoffe sind die Membranen eine undurchlässige Barriere. Das behandelte Wasser enthält weniger als 3 mg Schwebstoffe pro Liter. Alfa Laval bietet die Membranbioreaktoren in verschiedenen Abmessungen passend für die Anwendung an.

Die Membranbioreaktor-Anlage wurde gut zugänglich in einem Container installiert. © Foto: Plastic Change
Die Membranbioreaktor-Anlage wurde gut zugänglich in einem Container installiert.

Mikroplastik 50-fach konzentriert

Im Rahmen des Projekts „Plastic Free Roskilde Fjord” filtert der MBR bis zu 0,2 μm (Mikrometer) – ein Tausendstel des Durchmessers der Netze oder Filter, die in Standard-Plastikschleppnetzen eingesetzt werden. Die Anlage half der Forschung durch die 50-fache Konzentration gelöster Feststoffe im zurückgehaltenen Wasser, damit diese untersucht werden konnten. „Der Anteil von Kunststoffen im dänischen Abwasser ist nicht so hoch, dass man einfach eine geringe Wassermenge entnehmen kann, um eine repräsentative Probe zu erhalten. Daher muss man eine große Menge an Wasser filtern“, erklärt Claudia Sick. „Und hier war der MBR von Alfa Laval eine große Hilfe, da er aus einer großen Menge Abwasser ein Konzentrat des Plastiks schaffen konnte“. Ein bemerkenswertes Ergebnis: Ungefähr ein bis fünf Prozent des Mikroplastiks, das durch die Kläranlage Bjergmarken läuft, finden sich im aufbereiteten Abwasser und 80 % landen im Schlamm. Der Rest bleibt irgendwo anders hängen und wird bis zu einem gewissen Grad verbrannt. Doch trotz dieser wirksamen Entfernung war die Konzentration von Mikroplastik in der Nähe des Abflusses der Anlage höher als überall sonst im Fjord und es handelte sich überwiegend um Kunststofffasern.

MBR-Filtration wirksamer als herkömmliche Technologien

Für Alfa Laval stützt die Studie vorangegangene Untersuchungen, die zeigen, dass der MBR-Prozess eine effiziente Möglichkeit zum Entfernen von Mikroplastik ist. Bislang wurden in dem von der Membranbioreaktor-Pilotanlage nachgeklärten Abwasser noch keine Mikroplastikpartikel gefunden. Die Analyse bezog dabei einen Durchmesser von mindestens 50 μm mit ein. „Das bestätigt, dass MBR mehr Mikroplastik zurückhält als herkömmliche Technologien“, sagt Emmanuel Joncquez, Spezialist für Membranbioreaktoren bei Alfa Laval. „Wenn die zukünftige Gesetzgebung also eine weitere Entfernung von Mikroplastik fordert, ist MBR eine bewährte Technik.“ Die Membranbioreaktor-Technologie ist heute noch kosten- und energieintensiver als Sedimentierungstanks. Dies beschränkt ihren Einsatz auf Orte mit wenig Platz, spezifischen Anforderungen an das Ergebnis oder hohen Grundstückspreisen.

Inzwischen beginnen skandinavische Gemeinden über MBR als Lösung für das Mikroplastik-Problem nachzudenken. Alfa Laval wurde von mehreren kommunalen Wasserbehörden und Beratern dazu kontaktiert. Die Verantwortlichen wissen, dass eine Vorschrift zur Mikroplastikfiltration auf sie zukommen könnte, und sie suchen schon jetzt nach Lösungen. Nach Auskunft von Emmanuel Joncquez wird die Wissenschaft noch einige Jahre brauchen, um eine effektive, standardisierte Methode zum Messen der Menge von Mikroplastik in Wasser zu entwickeln. Das Projekt „Plastic Free Roskilde Fjord” ist ein Wegweiser und wurde mit dem National Energy Globe Award 2018 ausgezeichnet – der renommierte Umweltpreis gilt als Oscar der Nachhaltigkeit.

 

Ein Beitrag von Richard Orange.

Alfa Laval Mid Europe GmbH

www.alfalaval.de


Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 6/2019


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